烟草耐冷机理的进展

烟草耐冷机理的研究进展余文，林雷通，石健林（福建省龙岩市烟草公司武平分公司，福建武平364300）摘要从膜脂过氧化、抗氧化系统、渗透代谢抗冷调控途径综述了烟草耐冷遗传机制研究进展，并对烟草耐冷研究方向进行了展望。

关键词烟草；耐冷；机理；综述中图分类号S572文献标识码A 文章编号1004－8421（2012）01－84－02作者简介余文（1986－），男，福建福清人，硕士，从事烟草生理生化和分子育种研究。

收稿日期2012-01-01烟草是我国主要的经济作物之一，种植区域广泛。

在我国的南方地区，低温危害一直制约烟叶的生产发展，低温胁迫也是引起烟草品质下降的关键因素之一。

深入开展烟草耐冷性生理和遗传机制研究，对寻求分子育种手段解决耐冷低温冷害问题具有重要意义。

低温胁迫根据温度的高低可分为冷害和冻害2种，前者是指在0ħ以上对植物造成的损害，而后者则在0ħ以下对植物造成的损害。

目前对于低温胁迫的生理机制的研究报道较多，但未有定论，主流的理论有细胞膜系统损害学说、信号传导机制以及自由基理论。

1低温胁迫与活性氧清除系统活性氧化物（Reactive oxygen species ，ROS ）是生物体内各种有氧代谢过程中产生的毒性副产物（O －2、H 2O 2和HO －等）。

一般情况下，植物体内的ROS 的水平处于稳定状态，但当其受到各种胁迫时，如缺氧，淹水，高盐以及低温胁迫时其体内会积累大量的ROS 。

当然，在植物进化过程中，也发展出与之相对应的ROS 清除酶系统，包括超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase ，SOD ），过氧化氢酶（Catalase ，CAT ），谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase ，GPX ），过氧化物酶（Peroxidase ，APX ）等，植物组织内只有通过SOD ，POD 和CAT 的协同作用，才能使组织内的自由基维持一个较低的水平，以降低ROS 产物对细胞造成的伤害。

ROS 的过度积累会对细胞产生毒性，破坏蛋白质，DNA 以及膜脂的结构。

陈卫国等［1］试验结果表明，在低温胁迫下，烟草幼苗的CAT 和SOD 活性均有所降低，POD 活性变化呈相反趋势，即在低温胁迫下，烟草幼苗的POD 活性明显增加，且随胁迫温度的降低和胁迫时间的延长POD 活性增加幅度增大。

POD 与CAT 和SOD 活性呈极显著负相关，而CAT 与SOD 活性呈极显著正相关。

耐寒性较强的品种可保持较高的SOD 、CAT 和POD 活性。

张燕等［2］分别利用PEG 和CaC12处理烟苗种子并对其进行低温胁迫期，研究表明，烟草体内SOD 、CAT 、POD 等活性显著高于对照。

2低温胁迫与细胞膜系统细胞膜是分隔细胞内环境与外环境的第一层屏障，也是细胞在受到外界环境胁迫后最先遭受破环的目标。

在低温条件下，细胞膜功能的紊乱是最主要的分子事件，并导致出现各种低温胁迫症状［3］，例如，H +－ATP 酶的活性降低，细胞内可溶物的运输受阻，影响能量传导，以及酶依赖的代谢途径的变化。

因此，在低温胁迫下，如何维持植物细胞膜的稳定性是提高植物耐冷抗性的关键因素之一［4］。

而在细胞膜各个组分中，尤其是不饱和脂肪酸对于维持细胞膜的流动性具有重要的作用［5］。

一般情况下，耐冷品种体内不饱和脂肪酸的含量以及比例要比冷敏型品种多，且在适应低温环境期间，细胞膜中去饱和酶浓度升高且不饱和脂肪酸比例升高［6－7］，这种修饰作用能够保护膜脂由于低温而从流动相逐渐转变为半晶体相，因此，脂肪酸的去饱和作用从一定程度上减少低温对细胞膜的破坏。

晋艳等［8］试验表明，烟草幼苗的膜透性都随着胁迫温度的降低和胁迫时间的增加而增加。

张燕等［2］研究显示，烟草幼苗在低温下叶片MDA 含量随低温胁迫时问的延长呈逐步增加的趋势，但是用PEG 处理的叶片，MDA 含量增长较慢，表明，PEG 有减缓膜脂过氧化作用，降低MDA 积累的作用，能提高细胞膜的稳定性和膜脂过氧化的保护能力，从而提高其耐冷抗性。

3低温胁迫与Ca 2+调控Ca 2+作为细胞内第二信使，在植物低温胁迫研究表明其信号通路途径在冷适应的过程中具有举足轻重的作用。

在正常条件下，细胞内Ca 2+的浓度只有很低的水平（小于1μM ），而主要通过质膜上的Ca 2+－ATP 酶进行转运。

Ca2+在植物低温胁迫方面可能有两方面作用：一是通过稳定细胞壁、细胞膜结构和提高保护酶活性而增强植物的耐冷性；二是通过低温逆境下信号传递诱导耐冷基因的表达而提高植物的耐冷性。

研究表明，低温胁迫刺激下，植物体内Ca 2+的浓度会急剧上升，产生Ca 2+波，抑制蛋白磷酸酶2A （proteinphosphatase 2A ，PP2A ）的活性，在细胞核内，PP2A 通过抑制转录因子的活性阻止转录；相反，通过钙调蛋白（Calmodulin ，CaM ）感应由低温引起的Ca 2+浓度的变化，同时导致Ca 2+依赖蛋白激酶以及其它蛋白激酶的产生，从而介导基因的调控表达，提高植物的抗低温能力。

张燕等［2］用CaCl 2处理幼苗，其细胞膜受低温的伤害轻于水处理的，表明CaCl 2具有保护细胞膜，缓解低温伤害的作用。

4低温胁迫与渗透物质代谢一般情况下，植物在低温胁迫下细胞内的渗透调节物质合成会发生变化，以此来调节植物的生长、发育和提高其耐冷能力。

细胞内的渗透调节物质主要有多胺、可溶性糖、可溶性蛋白和甜菜碱等，这些代谢物质的积累可以抵抗因水分流失而导致的细胞膜相的改变，从而达到保护核酸和蛋白质结构和功能的目的，消除有害物质［8］。

多胺的合成积累是烟草逆境胁迫下的一种普遍现象。

在低温胁迫下，其体内会积累大量的多胺。

多胺是一类脂肪族含氮碱化合物，其分子结构中带正电荷的氨基与亚氨基可责任编辑聂克艳责任校对胡先祥农技服务，2012，29（1）：84－85以通过共价键的形式与膜脂上带负电荷的基团相作用，同时多胺代谢的积累还可以清除体内多余活性氧自由基，防止膜脂过氧化，起到稳定细胞膜结构的作用，调节植物的抗寒性［9］。

除了多胺的合成代谢外，可溶性糖和可溶性蛋白质的积累在低温胁迫下也起着重要的作用，二者都是亲水物质，能增强细胞的持水力，降低了细胞的水势，减少了水分的流失；同时一些碳水化合物能直接与细胞组分分子相连接，从而对细胞膜与酶起到稳定作用［10］。

5小结与展望尽管目前在烟草的低温胁迫的生理以及遗传机制的研究已取得一定进展，但在其生理生化机制上仍不十分透彻，尤其是在信号转导、自由基清除系统等方面，因此，开展烟草低温耐冷生理机制的研究，为培育耐冷新品种提供必要的理论基础。

目前在众多农作物中均已建立耐冷鉴定指标，而在烟草上相关的研究报道较少。

其次，烟草在低温胁迫下，其生理生化是一个复杂的过程，应该考虑建立多元化的耐冷指标体系，单因素的指标很难真实体现烟草的耐冷实质，应综合考虑各个指标之间的协同作用，才能得到较正确的结论。

烟草的整个发育时期均可发生低温胁迫危害，包括芽期、苗期、开花期等，因此积极开展烟草耐冷品种选育是解决烟草冷害问题的有效途径。

而烟草的耐冷性状也属于多基因控制的数量性状，这也是很难进行耐冷品种常规育种选育的主要原因之一。

随着烟草基因组计划的开展以及分子标记的开发，利用分子标记技术对烟草展开耐冷性状的QTL定位研究为烟草耐冷品种培育提供了一个新途径，培育出高耐冷烟草新品种可以从根本上解决烟草低温胁迫的危害，促进烟农增收，为现代化烟草农业保驾护航。

参考文献［1］陈卫国，李永亮，周冀衡，等．烤烟品种耐寒性及相关生理指标的研究［J］．中国烟草科学，2008，29（3）：39－42．［2］张燕，方力，李天飞，等．低温胁迫下PEG对烟草幼苗膜脂过氧化作用的影响［J］．西南农业大学学报，2001，23（6）：549－552．［3］PARKIN K L，KUO S J．Chilling－induced lipid degradation in cucumber （Cucumis sativa L．cv Hybrid C）fruit［J］．Plant Physiol，1989，90：1049－1056．［4］WONGSHEREE T，KETSA S，van DOORN W G．The relationship between chilling injury and membrane damage in lemon basil（Ocimumˑcitrio-dourum）leaves［J］．Postharvest Biol Technol，2009，51：91－96．［5］HAZEL J R，Thermal．adaptation in biological membranes：is homeoviscous adaptation the explanation［J］．Annu Rev Physiol，1995，57：19－42．［6］WILLIAMS J P，KHAN M U，MITCHELL K，et al．The effect of tempera-ture on the level and biosynthesis of unsaturated fatty acids in diacylglyc-erols of Brassica napus leaves［J］．Plant Physiol，1988，87：904－910．［7］PALTA J P，WHITAKER B D，WEISS L S．Plasma membrane lipids associ-ated with genetic variability in freezing tolerance and cold acclimation of Solanum species［J］．Plant Physiol，1993，103：793－803．［8］晋艳，杨宇虹，华水金，等．低温胁迫对烟草保护性酶类及氮和碳化合物的影响［J］．西南师范大学学报：自然科学版，2007（3）：45－47．［9］逯明辉，陈劲枫．植物耐冷性基因工程［J］．西北植物学报，2004，24（10）：1953－1958．［10］韩锦峰，朱大恒，林学培，等．多胺对烟草种子活力及幼苗生长生理效应的研究［J］．烟草科技，1991（4）：35－38．［11］陈杰忠，徐春香，梁立峰．低温对香蕉叶片中蛋白质及脯氨酸的影响［J］．华南农业大学学报，1999，20（3）：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪54－58．（上接第83页）6．3对烤烟套种烟农加大扶持力度烟区地方政府要象抓烤烟一样抓烟地套种，把烟地套种作物纳入生产规划，不能放任自流，任由烟农自由套种；烟草企业要担当起社会责任，从技术、资金及物质上对烟农进行扶持，支持他们搞好烟地套种，稳定烤烟生产发展。